Thèse Année : 2025

Contribution of mesozooplankton and faecal pellets to carbon export : a functional trait approach

Contribution du mésozooplancton et des pelotes fécales à l’export de carbone : une approche par traits fonctionnels

Résumé

Marine mesozooplankton refers to marine animals measuring between 0.2 and 20 mm that are unable to fight against currents. They support the world's fisheries and play a key role in the biological carbon pump (PCB), exporting organic carbon to the interior of the ocean. This transfer is based in particular on the production of particles (faecal pellets, moults, carcasses) that form part of the marine snow that sediments. Fecal pellets make up most of this. In addition, some mesozooplankton species migrate vertically on a daily or seasonal basis, amplifying the intensity of the PCB. Recent methods, such as imaging and metabarcoding, complement traditional methods (plankton nets and binocular magnifying glasses for mesozooplankton, sediment traps for particles) and make it possible to study ecosystems using a functional trait approach. These are measurable individual characteristics that influence the selective value of organisms (ability to survive, grow and reproduce). They can be associated with ecological functions at ecosystem level, such as carbon export. In addition, models can be used to produce balances on the scale of the global ocean, based on information (e.g. parameters) obtained from data. In this context, the goal of this thesis is to study the role of mesozooplankton and the particles they produce in carbon export, using various analytical methods.In Chapter 1, I analyse imaging and metabarcoding data from mesozooplankton samples collected at the Bermuda Atlantic Time-series Study (BATS) site. I identify groups of highly correlated taxa (“modules”) formed by organisms that are more or less transparent. These variations in transparency can be attributed to physiological or ecological functions. The modules appear in different ecosystem dynamics (e.g. productive period, oligotrophic period) and their relative abundances vary according to the intensity of carbon export. A morphological space highlights size and transparency as traits influencing this export. In Chapter 2, I focus on the identification of cylindrical faecal pellets, typical of those produced by Arctic mesozooplankton, among the non-living particles imaged in situ in Baffin Bay (Arctic Ocean), during a period of high productivity, using the Underwater Vision Profiler. The 50,771 particles identified by their morphology probably correspond to pellets produced by the large copepods Calanus hyperboreus, amphipods or euphausiids, according to a comparison with reference data. This work highlights the relevance of in situ imaging approaches for quantifying the carbon fluxes associated with the production of faecal pellets in productive ecosystems. Finally, in Chapter 3, I review the role of faecal pellets in carbon export, based on a meta-analysis gathering 197 scientific articles. The abundance, biomass and contribution of faecal pellets to carbon fluxes are closely linked to ecosystem productivity. The sedimentation rate of faecal pellets is strongly correlated with their morphology but appears to be independent of depth. There is a need to better characterise the types of pellet studied and to measure several variables on the same sample in order to better understand their dynamics and propose more realistic parameter values. This thesis opens up perspectives for the joint analysis of imagery and metabarcoding data, in particular via co-occurrence networks, and proposes a characterisation of marine snow particles involved in carbon export using imagery.

Le mésozooplancton marin désigne les animaux marins mesurant entre 0,2 et 20 mm ne pouvant lutter contre les courants, il soutient les pêcheries mondiales et joue un rôle clé dans la pompe à carbone biologique (PCB), en exportant du carbone organique vers l'intérieur de l'océan. Ce transfert repose notamment sur la production de particules (pelotes fécales, mues, carcasses) formant une partie de la neige marine qui sédimente. Les pelotes fécales en constituent la majeure partie. Par ailleurs, certaines espèces du mésozooplancton effectuent des migrations verticales, quotidiennes ou saisonnières, amplifiant l'intensité de la PCB. De récentes méthodes, telles que l'imagerie ou le métabarcoding, complètent les méthodes traditionnelles (filets à plancton et loupe binoculaire pour le mésozooplancton, pièges à sédiments pour les particules) et permettent d'aborder l'étude des écosystèmes à travers une approche par traits fonctionnels. Ce sont des caractéristiques individuelles mesurables influençant la valeur sélective des organismes (capacité à survivre, croître et se reproduire). Ils peuvent être associés à des fonctions écologiques à l'échelle de l'écosystème, telles que l'export de carbone. En complément, l'utilisation de modèles permet de réaliser des bilans à l'échelle de l'océan global, en se basant sur des informations (e.g., paramètres) obtenues depuis les données. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier le rôle du mésozooplancton et des particules qu'il produit dans l'export de carbone, en mobilisant diverses méthodes d'analyses. Dans le Chapitre 1, j'analyse des données d'imagerie et de métabarcoding issues d'échantillons de mésozooplancton collectés sur le site de Bermuda Atlantic Time-serie Study (BATS). J'identifie des groupes de taxons fortement corrélés (“modules”) constitués d'organismes plus ou moins transparents. Ces variations de transparence peuvent être attribuées à des fonctions physiologiques ou écologiques. Les modules apparaissent dans des dynamiques d'écosystème différentes (e.g., période productive, période oligotrophe) et leurs abondances relatives varient selon l'intensité de l'export de carbone. Un espace morphologique met en évidence la taille et la transparence comme traits influençant cet export. Dans le Chapitre 2, je m'intéresse à l'identification de pelotes fécales cylindriques, typiques de celles produites par le mésozooplancton arctique, parmi les particules non-vivantes imagées in situ dans la Baie de Baffin (Océan Arctique), en période de forte productivité, grâce à l'Underwater Vision Profiler. Les 50 771 particules identifiées par leur morphologie correspondent probablement à des pelotes produites par les grands copépodes Calanus hyperboreus, les amphipodes ou les euphausiacés, selon une comparaison avec des données de référence. Ce travail met en lumière la pertinence des approches d'imagerie in situ pour quantifier les flux de carbone associés à la production de pelotes fécales dans les écosystèmes productifs. Enfin, dans le Chapitre 3, je dresse un état des lieux du rôle des pelotes fécales dans l'export de carbone, à partir d'une méta-analyse rassemblant 197 articles scientifiques. Ainsi, l'abondance, la biomasse et la contribution des pelotes fécales dans les flux de carbone sont étroitement liées à la productivité des écosystèmes. La vitesse de sédimentation des pelotes fécales est fortement corrélée à leur morphologie mais semble être indépendante de la profondeur. Il est nécessaire de mieux caractériser les types de pelotes étudiés et de mesurer plusieurs variables sur un même échantillon pour mieux comprendre leur dynamique et proposer des valeurs de paramètres plus réalistes. Cette thèse ouvre des perspectives pour l'analyse croisée des données d'imagerie et de métabarcoding, notamment via les réseaux de co-occurrence, et propose une caractérisation des particules de neige marine impliquées dans l'export de carbone grâce à l'imagerie.

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Citer

Margaux Perhirin. Contribution du mésozooplancton et des pelotes fécales à l’export de carbone : une approche par traits fonctionnels. Océanographie. Sorbonne Université, 2025. Français. ⟨NNT : 2025SORUS239⟩. ⟨tel-05354013⟩
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